code_saturne | 对核反应堆芯 5x5 棒束构型下湍流场的数值模拟案例

关于code_saturne

        code_saturne是法国电力集团自1997年起自主研发的一款通用计算流体力学开源软件。基于有限体积方法，支持多种类型网格，通过求解纳维-斯托克斯方程，用于处理二维、二维对称、三维，稳态或非稳态，层流或湍流，不可压或微可压流体，等温或非等温等多种计算问题。拥有多种不同的湍流模型，例如雷诺平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）与大涡模拟模型(Large Eddy Simulation: LES)。

      软件涵盖多种工业应用物理模块：大气模拟、煤粉、重质燃料及生物质的燃烧模块、电弧与焦耳效应模块、颗粒追踪模块、流体机械转子-定子互动模块等。为适应工业界复杂的物理问题，该软件具备灵活的二次开发接口。其强大的并行计算能力，适用于超性能计算平台处理大规模计算问题。该软件在工业领域得到广泛的应用与认可。

案例介绍

   本期案例研究反应堆芯内棒束结构周围的流场情况，选取 5x5 棒束构型，中央区域为一根套管，周围均匀排布燃料棒。

模型的几何参数如下：

计算域高 h = 6 Dh

特征长度 Dh = 4A/X = 10 mm

计算域边长 c = 66.1 mm

棒束中心间距 P = 12.6 mm

边缘反应棒到边界距离 = P' - P/2 = 1.55 mm

燃料棒直径 DC = 9.5 mm

套管直径 DG = 12.14 mm

计算域示意图

研究方法

   该案例选用三种模型进行数值模拟，分别是：

1. LES，无亚格子模型

2. LES，Wale 亚格子模型

3. EB-RSM 模型

关于不同模型的计算设置，如下表所示：

计算设置

棒束间隔区域网格

边缘区域网格

计算工况

入口压力：P = 155 bars

温度：T= 300 degree

密度： rho = 748.5 Kg/m3

动力粘度：mu = 9.29 E-5 Pa.s

雷诺数：ReDh = 2000

入口处湍流强度：Iu = 10%

出口流速：ud = 0.25 m/s

流场云图

研究结果

计算得到流场分布情况，尺寸略大的套棒周围流体速度，明显比燃料棒周围流体速度略低，如下图所示。

法向截面的法向速度云图

计算中进行了法向速度的时均统计，对比三种不同模型。

法向速度时均统计量

上图中不同数字标记分别表示：

• 标记 1：LES 计算结果显示外壁面与周围流体速度差较大，而 EB-RSM 的结果不明显。

• 标记 2、3：LES 得到的结果中速度低于 EB-RSM 结果的区域。

• 标记 4：LES 的结果角落区域速度更高。

根据计算结果，后处理数据得到法向压损系数，对比三种不同模型。

压损系数

结果表明，LES 和 EB-RSM 得到的压损系数值相差不大。

结论

本次对 5x5 棒束构型下湍流场研究显示：

• 反应棒阵中掺入较大尺寸的套棒使得流场法向速度不均匀分布。

• LES 模型和 EB_RSM 模型在此种构型下得到的结果相近。

• 本次研究为课题组后续进行复杂棒束构型下的非定常流动打下良好基础。

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